1. Электронная микроскопия

В связи с тем, что размеры рибосом в десятки раз меньше, чем длина волны видимого света, ее невозможно увидеть даже в самый совершенный оптический микроскоп, однако можно «посмотреть» с помощью электронного микроскопа, который направляет пучок электронов вместо света. Уже в 70-х годах ХХ века с помощью электронной микроскопии (ЭМ) были получены изображения рибосом и их субчастиц, позволяющие предположить их форму.

Электромикрофотография субчастиц рибсосом (слева) и одна из первых моделей малой 30S субчастицы бактерий (справа), 1974 г.

Одни из первых «фотографий» рибосом были получены в пущинском Институте белка под руководством академика А.С. Спирина. В то же время в группах Г. Штоффлера, И. Шталя (Германия) и Дж. Лэйка (США) для детекции положений рибосомных белков на поверхности рибосомных субъединиц стали использовать иммуно-ЭМ, для чего рибосомные субчастицы обрабатывали антителами против какого-либо белка и смотрели, в каком месте они присоединяются, связываясь с эпитопами (фрагментами молекулы, специфично узнаваемые соответствующими антителами) целевого белка. Однако, точность определения была невысокой, кроме того, у некоторых белков было несколько антигенных детерминант, удаленных друг от друга на поверхности субчастицы, а у некоторых белков не было ни одной.

Резкий скачок в информативности данного метода произошел в середине 90-х годов, когда в лаборатории Й. Франка (США) был разработан новый подход - крио-ЭМ, основанный на получении электронных микрофотографий рибосом при очень низкой температуре (в жидком азоте, T= -196°C). Чтобы получить крио-ЭМ фотографии, монослой рибосом наносят на тонкую углеродную решетку. В 2000 г. были разработаны программы, позволяющие сепарировать электронную плотность в крио-ЭМ на белковую и рРНК-овую составляющие и подгонять крио-ЭМ карты к атомным моделям рибосомных субчастиц прокариот (к этому времени уже удалось расшифровать структуру менее сложно устроенных прокариотических рибосом с помощью метода РСА, речь о котором пойдет далее, тогда как никаких моделей эукариотических рибосом ещё получить не удалось). Это позволило распознавать фрагменты консервативного «кора» РНК («кор» - сердцевина, та часть структуры, которая в процессе эволюции оставалась практически неизменной от самых примитивных бактерий до самых высоко организованных организмов, включая человека) и рибосомные белки, имеющие прокариотических гомологов. За 10-14 лет, прошедших с момента изобретения метода, с помощью крио-ЭМ научились получать изображения рибосом с разрешением 7-8 Ȧ (это позволяет видеть, например, отдельные витки α-спиралей белков), что всего в 2-3 раза меньше разрешения, которое обычно дает рентгеноструктурный анализ. Резкое увеличение разрешающей способности в случае крио-ЭМ связано, в частности, с тем, что при очень низкой температуре «замораживаются» тепловые движения структурных элементов рибосомы, которые сильно размывают изображение, полученное с помощью «обычной» ЭМ. В прошлом, 2013 году в лаборатории Бэкманна были получены крио-ЭМ модели рибосом человека с довольно высоким разрешением 5.4 Ȧ [5].

Крио-ЭМ модели субчастиц человеческих рибосом, 2013 г. Подписаны рибосомные белки и некоторые морфологические элементы субчастиц.

Преимуществом крио-ЭМ по сравнению с РСА (рентгеноструктурный анализ) является то, что этот метод не требует выращивания кристаллов – процедуры длительной и не всегда дающей результат. Кроме того, для крио-ЭМ требуется намного меньше материала, чем для РСА. К недостаткам крио-ЭМ следует отнести то, что разрешение, которое может дать этот метод, пока не позволяет четко “видеть” неструктурированные нитевидные фрагменты рибосомных белков и рРНК, триплеты иРНК и некоторые другие важные детали.

2. Рентгеноструктурный анализ (РСА)

Методы рентгеноструктурного анализа позволяют судить о строении биологических макромолекул и их комплексов (в частности, эти методы помогли установить в 1953 году структуру ДНК). В основе рентгеноструктурного анализа лежит получение кристаллов макромолекул и просвечивание их рентгеновскими лучами. По характеру дифракции рентгеновских лучей, проходящих через эти кристаллы, можно судить о строении образующих кристаллы молекул. Если кристаллы хорошего качества, то такую картину можно расшифровать с помощью специальных компьютерных программ, и это в принципе позволяет определить координаты всех атомов, из которых они построены. Поэтому РСА считают одним из наиболее мощных и информативных методов для изучения строения рибосом и других сложных белково-нуклеиновых комплексов. К недостаткам метода можно отнести, в первую очередь, трудности кристаллизации – до сих пор кристаллизация сложных рибонуклеопротеидов является скорее не наукой, а искусством, которым владеют лишь в нескольких лабораториях в мире. Даже к началу восьмидесятых годов XX века никому еще не удавалось получить пригодные для анализа кристаллы ни полных рибосом, ни их отдельных субъединиц. Вообще, кристаллизация каждого нового модельного комплекса рибосом с участниками процесса трансляции является событием.

Получить пригодные для РСА кристаллы рибосомных субчастиц даже простейших эукариот удалось впервые лишь в 2010 г. (это было сделано в группе М. Юсупова в Страсбурге). Определенные с помощью РСА координаты атомов рибосом и их модельных комплексов помещают в доступный через интернет банк данных, каждая структура имеет свой код, который известен из публикаций в научных журналах. Визуально структурную информацию можно представлять любым удобным образом. В качестве примера ниже приведена структура малой субчастицы рибосом термофильной бактерии Thermus thermophilus, полученная в 2002 г. в лаборатории В. Рамакришнана - одного из трех Нобелевских лауреатов по химии 2009 г., получивших премию за расшифровку структуры рибосомы. На этой структуре полипептидные цепи белков и полинуклеотидные цепи рРНК изображены ленточками.

Строение малой субчастицы рибосом Thermus thermophilus по данным РСА, 2002 г.

При всей ценности результатов, полученных с помощью РСА, следует отдавать себе отчет, что кристаллы рибосом получают в условиях, очень далеких от физиологических: при высокой концентрации солей и в присутствии специальных органических добавок (например, метилпентандиола) при пониженной температуре. Поэтому строение реально работающей рибосомы может заметно отличаться от строения рибосомы в кристалле. Наконец, РСА дает информацию только об одном, «замороженном», состоянии рибосомы, и не дает представления о конформационной динамике, необходимой для функционирования рибосомы. Поэтому полноценное представление о той структуре нуклеопротеида, которая осуществляет свои функции в клетке, можно получить только из совокупности данных, полученных с помощью РСА и различных биохимических подходов, о которых пойдет речь ниже.